Особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с частицей жидкокапельного аэрозоля

• Автор: Апексимов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЁТА РАССЕЯНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ИЗОЛИРОВАННОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ МАЛОГО ПОГЛОЩЕНИЯ
1.1. Метод спектрального описания рассеяния (Нестационарное рассеяние

1.2. Метод неоднородного волнового уравнения в задаче светорассеяния. Собственные резонансы диэлектрических сферических микрочастиц
Краткие выводы по главе
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА ОПТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВНУТРИ ПРОЗРАЧНОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЫ ПРИ РАССЕЯНИИ НА НЕЙ ОДИНОЧНОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
2.1. Внутреннее оптическое поле прозрачной сферической частицы при воздействии на неё одиночного фемтосекундного лазерного
импульса
2.2. Особенности формирования внутреннего оптического поля прозрачной сферической частицы при воздействии на неё цуга фемтосекундных лазерных импульсов
2.3. Частотно-импульсный режим возбуждения прозрачной сферической микрочастицы чирпированным ультракоротким лазерным излучением
2.4. Факторы эффективности рассеяния, поглощения, обратного рассеяния одиночного и последовательности фемтосекундных лазерных импульсов на прозрачной сферической частице
Краткие выводы по главе
ГЛАВА 3. РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ СУПЕРКОНТИНУУМА НА СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ

3.1. Физические механизмы генерации широкополосного оптического излучения (суперконтинуума) при распространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере
3.2. Спектральные, энергетические и угловые характеристики излучения суперконтинуума
3.3. Интегральные оптические характеристики сферических частиц при рассеянии на них излучения суперконтинуума
Краткие выводы по главе
ГЛАВА 4. МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ СЛАБОПОГЛОЩАЮЩЕЙ ВОДНОЙ МИКРОЧАСТИЦЫ ПРИ ЕЁ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ В ПОЛЕ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1. Тепловой взрыв слабопоглощающих водных микрочастиц под действием мощных фемтосекундных лазерных импульсов
4.1.1. Оценка энергозапаса плазменных областей внутри слабопоглощатощей водной микрочастицы при её оптическом пробое в поле мощного фемтосекундного лазерного излучения
4.1.2. Оптотермодинамические переходы в водной микрочастице.
Оценка степени испарения
4.2. Модель деформации и разрушения частицы
Краткие выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Прогресс в создании лазерных источников, способных генерировать излучение фемтосекундной временной шкалы с тераваттной и мультитераватгной пиковой мощностью, привел к разработке новых научных направлений: физике сверхсильных лазерных полей и спектроскопии сверхбыстрых процессов [1,2,3,4,5]. Возникли идеи о приложениях фемтосекундных лазерных технологий к проблемам атмосферной оптики. Известно, что перечень задач атмосферной оптики можно условно разделить на два класса: прямые и обратные задачи. Первый из них - класс задач о взаимодействии световой волны с веществом атмосферы и о прогнозировании распространения света на атмосферной трассе. Второй класс задач связан с извлечением информации о свойствах атмосферы из анализа характеристик оптических полей, которые определяются из решения прямых задач. На рубеже прошлого и настоящего столетий возникло новое направление в атмосферной оптике - фемтосекундная атмосферная оптика, которое поставило своей целью решение указанных задач применительно к фемтосекундным лазерным источникам. К настоящему времени получило наибольшее развитие исследование взаимодействия мощного фемтосекундного импульса с газовой составляющей атмосферы (филаментация, генерация суперконтинуума). Поскольку аэрозоль всегда присутствует в атмосфере, то, несомненно, задача о взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с аэрозолями также является актуальной.
Частью аэрозольной компоненты атмосферы является жидкокапельный аэрозоль. Он - один из основных факторов, определяющих ослабление света в атмосфере, поэтому представляется важным исследовать наиболее характерные эффекты, которые реализуются при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с каплями.
Можно выделить три характерные особенности фемтосекундного лазерного излучения. Одной из особенностей является высокая временная когерентность в цуге импульсов при частотно - импульсном режиме работы лазерного источника. Это может привести к специфическим эффектам взаимодействия цуга таких
Это видно на рисунке 2.1.46, где показаны аналогичные зависимости для случая резонансного возбуждения внутреннего оптического поля частиц на нескольких собственных модах: ТЕ50;2 , ТЕод и ТЕ20о,5 При этом радиус частицы а0 выбирался так, чтобы соответствовать резонансному значению для выбранной собственной моды диэлектрической сферы (при условии фиксированных Х0 и та).
На рисунке 2.1.5 показана зависимость максимального по объему частицы значения функции /5(со) = (е5(со;г)-Е‘(ю;г)) от относительной расстройки частоты в
спектре лазерного импульса Дю = (ю-со0)/со0 при а0 = 20мкм. Видно, что центр
спектра импульса (левая вертикальная линия на рисунке) находится вблизи ТЕ159І
резонансной моды с добротностью 2-432 и значением Лю = -5.0-КГ4. В то же время, увеличение радиуса частицы на 10% приводит к смещению центральной частоты спектра импульса на уровень нерезонансного фона (правая вертикальная линия) и соответствующему падению Вт.
Возвращаясь снова к рисунку 2.1.3, отметим, что уменьшение длительности дифрагирующего на частице импульса в зависимости от ее размера начинает сказываться на величине В„, при различных (р . Другими словами, при одном и том же значении длительности импульса, скажем Ір = 10'13 с , В„ в частице с а0 = 50 мкм падает примерно на 20%, а для а0 = 5 мкм всего на 3%. Это хорошо заметно, если пронормировать значения Вт(1р) на рисунке 2.1.3 на величину £„,(«), достигаемую
в частице в условиях стационарного рассеяния, как это проведено на рисунке 2.1.6. На врезке данного графика представлена «пороговая» величина длительности светового импульса і"г‘, когда начинается падение Вт , в зависимости от радиуса частиц. Видно, что данная зависимость в рассмотренном диапазоне размеров частиц близка к линейной.
Одной из особенностей сверхкороткого излучения является его широкий частотный спектр. Для гауссовского временного профиля импульса (1.1.2) соотношение между его длительностью ір и полушириной спектра Аю , как известно, инвариантно: (/ Дш ) = 4л. Увеличение Лю,, создает условия для
возбуждения различных резонансных мод частицы (см. рисунок 2.1.5), число которых, в свою очередь, растет с увеличением размера частицы.